ГлавнаяОдним из приемов эксергетического анализа термодинамических систем служит диаграмма потоков эксергии, предложенная П. Грассманом. Эксергетическая диаграмма потоков строится по аналогии с энергетической диаграммой Сэнки. В обеих диаграммах потоки энергии и эксергии изображаются полосами, ширина которых в масштабе пропорциональна их величине, а направление указывается стрелками. Отличие диаграммы потоков энергии от диаграммы потоков эксергии в том, что потоки энергии постоянны и их ширина не может измениться без внешнего ее подвода или отвода.
В диаграмме П. Грассмана потоки эксергии могут уменьшаться или исчезнуть в результате внутренних или внешних потерь. Потери эксергии изображаются в виде треугольников потерь, один из катетов которого в масштабе определяет их величину в структурном элементе системы. Часть катета «потерь», соответствующая их внешней величине, имеет продолжение в виде полосы, пересекающей границы технической системы. Треугольники и полосы потерь выделяются на диаграммах.
Особенности диаграмм Сэнки и П. Грассмана рассмотрены на примере технической системы, включающей подсистемы обеспечения микроклимата помещений жилого дома. Принципиальная схема его энергоснабжения для отопительного периода года представлена на рис. 2.12.
В границы технической системы, очерченной контрольной поверхностью, входят индивидуальный тепловой пункт, системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, канализации, электроснабжения, а также ограждающие конструкции здания.
Потоки энергии в технической системе связаны как с внешним энергетическим, так и с внутренним обменом. Извне в систему поступают поток теплоты от системы теплоснабжения Qт и поток подводимой электрической мощности L.
Из системы в окружающую среду уходят тепловые потоки через ограждающие конструкции Qп', с удаляемым вентиляционным воздухом Qп'' и канализационными стоками Qп'''. Внешний обмен энергией технической системы можно характеризовать равенством:
Тепловой поток, поступающий в техническую систему через ИТП, распределяется на подсистемы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения с последующим переходом части энергии в воздушный объем здания.
Поток подводимой электрической мощности распределяется на двигатели и привода насосов подсистем и на освещение здания.
Потери энергии системой связаны с теплопотерями через ограждающие конструкции, с удаляемыми из здания вентиляционными выбросами и канализационными стоками.
Схема потоков энергии Сэнки, построенная на основании схемы, представленной на рис. 2.12, показана на рис. 2.13.
Из ее анализа видно, что происходящие в технической системе потери энергии и качественные ее изменения в диаграмме не находят отражения. Ширина полос изменяется только в случае подвода или отвода энергии к отдельным подсистемам. Ho баланс поступающих и удаляемых потоков энергии сохраняется. В каждой подсистеме и всей технической системе суммарная ширина полос на входе равна ширине полос на выходе.
Иначе выглядит эксергетическая схема потоков (рис. 2.14), иллюстрирующая трансформацию эксергии в технической системе и в подсистемах. На схеме П. Грассмана видны все потери, возникающие в результате необратимых процессов в каждой подсистеме. Ширина полос уменьшается при прохождении потоков через подсистемы. Также уменьшается и общая, суммарная, ширина полос, указывающая на потери эксергии в реальной технической системе по мере осуществления в ней технических процессов. Величина каждой потери в подсистеме характеризуется уменьшением ширины полосы эксергии и изображается зачерненным треугольником.
В техническую систему вводятся два потока эксергии. Один в виде потока теплоносителя поступает в индивидуальный тепловой пункт 1 от тепловых сетей, а второй в виде электрической энергии. Потери эксергии возникают в элеваторном узле или теплообменнике, а также в электродвигателях и приводах.
Оставшийся поток эксергии делится на три. Один поступает в подсистему вентиляции 3, второй в подсистему отопления 2, а третий - в подсистему горячего водоснабжения 4. В каждой из перечисленных подсистем происходят как внешние, так и внутренние потери эксергии. Внешние потери обусловлены потоками эксергии, удаляемыми с вентиляционными и канализационными стоками. Внутренние потери эксергии вызываются гидравлическими и аэродинамическими сопротивлениями потоков теплоносителей, тепломассообменом при конечных температурах и сопровождаются рассеиванием ее в воздушный объем здания и формированием микроклимата помещений. Внешние потери эксергии связаны с обменом термодинамической системы с окружающей средой вследствие разности температур и неидеальной тепловой изоляции ограждений.
Поток эксергии в виде электрической энергии частично используется для освещения здания и в последующем рассеивается в воздушный объем здания.
Схема потоков эксергии наглядно показывает качественную картину распределения эксергии между подсистемами и указывает на наличие ее потерь в технической системе.
Пример оценки эффективности обеспечения микроклимата в отопительный период года выполнен для отдельно стоящего здания - кафе на 170 посадочных мест. Расчётная температура наружного воздуха tн = -24 °C. Теплоснабжение здания осуществляется от тепловых сетей с присоединением системы отопления по независимой схеме с температурным графиком 90-70 °C. Теплоноситель приточных установок вентиляции поступает к калориферам по графику температур 105-70 °C. Тепловая мощность системы отопления Qот = 83255 Вт, системы вентиляции Qвент = 159340 Вт, горячего водоснабжения Qг.в. = 131210 Вт. Общая тепловая мощность инженерных систем Qобщ = 375805 Вт. Установленная мощность электродвигателей перечисленных инженерных систем равна 16632 Вт. Суммарная мощность источников освещения 635 Вт.
Результаты расчёта потоков эксергии, участвующих в обеспечении микроклимата здания, для каждой инженерной системы, сведены в табл. 2.3. Теплопроизводительность систем представлена в кДж отнесённых к часовому промежутку времени.
Анализ данных таблицы показывает, что из поступающей в здание энергии только 53,5 % составляет эксергию. Остальная энергия используется как анергия и участвует в поддержании микроклимата здания в равновесии с окружающей средой. Электродвигатели вентиляционных установок установлены вне помещений здания.
Схема потоков эксергии, обеспечивающих микроклимат здания показана на рис. 2.15.
Потоки эксергии определены в пределах температур теплоносителей, указанных в табл. 2.3.